JP2016009614A - Positive electrode active substance material and lithium ion secondary battery - Google Patents

Positive electrode active substance material and lithium ion secondary battery Download PDF

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a positive electrode active substance material and a lithium ion secondary battery, exhibiting favorable cycle characteristics and having favorable output characteristics.SOLUTION: A positive electrode active substance material includes a positive electrode active substance, a coating layer coating the surface of the positive electrode active substance, and an element diffusion layer at an interface between the coating layer and the positive electrode active substance. The coating layer comprises a lithium-containing polyanion compound, and a polyanion skeleton forming the polyanion compound has a structure with transition metal as the center and has the composition of MO(where, M=V, Cr, Nb, Mo, W; x=0,1; and y=2, 3, 4).

Description

本発明は正極活物質材料及びリチウムイオン二次電池に関する。   The present invention relates to a positive electrode active material and a lithium ion secondary battery.

近年、モバイル機器向けにリチウムイオン二次電池の高エネルギー密度化が課題となっており、充電電位を高くし、容量と電圧を同時に上げる事が解決手段の一つとして検討されている。   In recent years, increasing the energy density of lithium ion secondary batteries for mobile devices has been an issue, and increasing the charging potential and simultaneously increasing the capacity and voltage are being investigated as one of the solutions.

しかしながら、充電電位の上昇は正極活物質と有機電解液間の分解反応を促進するため、サイクル特性が低下する問題があった。 However, since the increase in the charging potential promotes the decomposition reaction between the positive electrode active material and the organic electrolyte, there is a problem that the cycle characteristics deteriorate.

最近、全固体電池においてリチウム含有リン酸塩やホウ酸塩などのポリアニオン化合物を正極活物質表面に被覆することで、固体電解質との反応を抑制した例がある(特許文献1)が、特許文献1ではポリアニオン骨格中のリンやホウ素は正極活物質に固溶しにくく、安定な界面形成が難しいため抑制効果が十分でない事、またリチウム含有リン酸塩やホウ酸塩は電子伝導性が低いため、出力特性の面で劣るといった問題点があった。   Recently, there is an example in which a reaction with a solid electrolyte is suppressed by coating the surface of a positive electrode active material with a polyanion compound such as lithium-containing phosphate or borate in an all-solid battery (Patent Document 1). In No. 1, phosphorus and boron in the polyanion skeleton are not easily dissolved in the positive electrode active material, and it is difficult to form a stable interface, so that the suppression effect is not sufficient, and lithium-containing phosphates and borates have low electron conductivity. There is a problem that the output characteristics are inferior.

特開2012−99323号公報JP 2012-99323 A

本発明は、上記従来の課題を解決するためになされたもので、良好なサイクル特性を示し、かつ良好な出力特性を有する正極活物質材料およびリチウムイオン二次電池を提供することを目的とする。     The present invention has been made to solve the above-described conventional problems, and an object thereof is to provide a positive electrode active material and a lithium ion secondary battery that exhibit good cycle characteristics and have good output characteristics. .

本発明にかかる正極活物質材料は、正極活物質と、正極活物質の表面を被覆する被覆層と、被覆層と正極活物質との界面に元素拡散層を有し、被覆層がリチウム含有ポリアニオン化合物とからなり、ポリアニオン化合物を形成するポリアニオン骨格が遷移金属を中心とした構造でM1+x4+3x −y(M=V、Cr、Nb、Mo、W、 x=0、1、 y=2、3、4)の組成からなることを特徴とする正極活物質材料である。 The positive electrode active material according to the present invention includes a positive electrode active material, a coating layer covering the surface of the positive electrode active material, an element diffusion layer at the interface between the coating layer and the positive electrode active material, and the coating layer is a lithium-containing polyanion M 1 + x O 4 + 3x −y (M = V, Cr, Nb, Mo, W, x = 0, 1, y = 2, with a structure in which a polyanion skeleton forming a polyanion compound is centered on a transition metal. A positive electrode active material comprising the composition of 3 or 4).

本発明によれば、ポリアニオン化合物が電気化学的に安定であるため、正極活物質の表面をポリアニオン化合物で被覆すると高電位下での電解質との反応を抑制し、サイクル特性を向上できる。     According to the present invention, since the polyanion compound is electrochemically stable, when the surface of the positive electrode active material is coated with the polyanion compound, the reaction with the electrolyte under a high potential can be suppressed and the cycle characteristics can be improved.

また上記発明によれば、被覆層に含まれるポリアニオン骨格中の遷移金属元素は正極活物質との界面に元素拡散層を形成しやすいため電解質との接触を効果的に抑制することができ、より効果的にサイクル特性を向上させることができる。     According to the above invention, the transition metal element in the polyanion skeleton contained in the coating layer can easily form an element diffusion layer at the interface with the positive electrode active material, so that contact with the electrolyte can be effectively suppressed. The cycle characteristics can be effectively improved.

さらに上記発明によれば、ポリアニオン骨格中に含まれる高価数の遷移金属が正極活物質に固溶することで得られる高電子伝導性の界面により、高い出力特性も同時に引き出すことができる。     Furthermore, according to the said invention, a high output characteristic can also be brought out simultaneously by the interface of the high electron conductivity obtained by the solid transition of the expensive transition metal contained in the polyanion skeleton in the positive electrode active material.

また、本発明においては、ポリアニオン骨格は、クロム酸イオン(CrO 2−)、重クロム酸イオン(Cr 2−)、オルトバナジン酸イオン(VO 3−)、ピロバナジン酸イオン(V 4−)、ニオブ酸イオン(NbO 3−)、モリブデン酸イオン(MoO 2−)、タングステン酸イオン(WO 2−)のいずれか一つ以上であることが好ましい。 In the present invention, the polyanion skeleton includes chromate ion (CrO 4 2− ), dichromate ion (Cr 2 O 7 2− ), orthovanadate ion (VO 4 3− ), pyrovanadate ion (V 2 O 7 4− ), niobate ion (NbO 4 3− ), molybdate ion (MoO 4 2− ), and tungstate ion (WO 4 2− ) are preferable.

ポリアニオン骨格が五価以上の遷移金属イオンから成り、このような高価数の遷移金属は正極活物質のLiイオンサイトに微量ドーピングされることで電子伝導性が飛躍的に向上するためである。     This is because the polyanion skeleton is composed of pentavalent or higher-valent transition metal ions, and such an expensive number of transition metals is drastically improved by being doped in a small amount at the Li ion site of the positive electrode active material.

本発明の正極活物質は、さらにリチウム含有層状酸化物であることが好ましい。     The positive electrode active material of the present invention is preferably a lithium-containing layered oxide.

リチウム含有層状酸化物系は高電位下で不安定であり、さらに充電電位を上げることで容量を増加させることができるため、本発明により正極活物質材料のエネルギー密度を効果的に上げることが可能となるためである。     The lithium-containing layered oxide system is unstable at high potentials, and the capacity can be increased by further increasing the charging potential, so the present invention can effectively increase the energy density of the positive electrode active material. It is because it becomes.

さらに、本発明の正極活物質と被覆層の界面に形成する元素拡散層は、厚みが2〜40nmであることが好ましい。     Furthermore, the element diffusion layer formed at the interface between the positive electrode active material and the coating layer of the present invention preferably has a thickness of 2 to 40 nm.

正極活物質とポリアニオン化合物との接触界面に元素拡散層を、特に2〜40nmの厚みに形成することで、被覆層と正極活物質との密着性を高め、よりサイクル特性に優れた正極活物質材料とすることができるためである。     By forming an element diffusion layer at the contact interface between the positive electrode active material and the polyanion compound, particularly in a thickness of 2 to 40 nm, the adhesion between the coating layer and the positive electrode active material is improved, and the positive electrode active material having more excellent cycle characteristics This is because the material can be used.

元素拡散層は高電子伝導性となるため、より出力特性に優れた正極活物質材料とすることができる。     Since the element diffusion layer has high electron conductivity, a positive electrode active material having more excellent output characteristics can be obtained.

また、本発明の正極活物質材料に含まれるリチウム含有層状酸化物は、下記組成式(1)
LiNiCoMnAl ・・・(1)
[上記式(1)中、0≦a≦1.0、0≦b≦1.0、0≦c<0.34、0≦d≦0.05]
で表されることが望ましい。
The lithium-containing layered oxide contained in the positive electrode active material of the present invention has the following composition formula (1):
LiNi a Co b Mn c Al d O 2 (1)
[In the above formula (1), 0 ≦ a ≦ 1.0, 0 ≦ b ≦ 1.0, 0 ≦ c <0.34, 0 ≦ d ≦ 0.05]
It is desirable that

リチウム含有層状合酸化物のうちNi、Co、Mnを多く含むものは特に高容量であるため、エネルギー密度の高い正極活物質材料とすることができるためである。     This is because lithium-containing layered composite oxides containing a large amount of Ni, Co, and Mn have a particularly high capacity and can be used as a positive electrode active material having a high energy density.

またこれら正極活物質に含まれる遷移金属元素を一部Alに置換したものは熱安定性とサイクル特性が改善されるため、より安全性とサイクル特性に優れた正極活物質材料を得ることができる。     In addition, when the transition metal element contained in these positive electrode active materials is partially substituted with Al, the thermal stability and cycle characteristics are improved, so that a positive electrode active material having better safety and cycle characteristics can be obtained. .

本発明によれば、良好なサイクル特性を示し、かつ良好な出力特性を有する正極活物質材料およびリチウムイオン二次電池を提供することができる。     ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the positive electrode active material and lithium ion secondary battery which show a favorable cycling characteristic and have a favorable output characteristic can be provided.

本発明のリチウムイオン二次電池の一例を示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows an example of the lithium ion secondary battery of this invention. 本発明の正極活物質材料の概略図である。It is the schematic of the positive electrode active material of this invention. TEM−EDXのラインスキャンを使用した、本発明の正極活物質材料の元素拡散層の見積もり方を示す。The method of estimating the element diffusion layer of the positive electrode active material of the present invention using a TEM-EDX line scan will be described.

以下、本発明のリチウムイオン二次電池について詳細に説明する。     Hereinafter, the lithium ion secondary battery of the present invention will be described in detail.

A.リチウムイオン二次電池
図1は、本実施形態のリチウムイオン二次電池の一例を示す概略断面図である。図1に示すように、本実施形態に係るリチウムイオン二次電池100は、互いに対向する板状の負極20及び板状の正極10と、負極20と正極10との間に隣接して配置される板状のセパレータ18と、を備える発電要素30と、リチウムイオンを含む電解質と、これらを密閉した状態で収容するケース50と、負極20に一方の端部が電気的に接続されると共に他方の端部がケースの外部に突出される負極リード62と、正極10に一方の端部が電気的に接続されると共に他方の端部がケースの外部に突出される正極リード60とを備える。
A. Lithium Ion Secondary Battery FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing an example of a lithium ion secondary battery of this embodiment. As shown in FIG. 1, a lithium ion secondary battery 100 according to the present embodiment is disposed adjacent to each other between a plate-like negative electrode 20 and a plate-like positive electrode 10 facing each other, and the negative electrode 20 and the positive electrode 10. A plate-shaped separator 18, an electrolyte containing lithium ions, a case 50 for containing these in a sealed state, and one end electrically connected to the negative electrode 20 and the other The negative electrode lead 62 whose one end protrudes outside the case, and the positive electrode lead 60 whose one end is electrically connected to the positive electrode 10 and whose other end protrudes outside the case.

負極20は、負極集電体22と、負極集電体22上に形成された負極活物質層24と、を有する。また、正極10は、正極集電体12と、正極集電体12上に形成された正極活物質層14と、を有する。セパレータ18は、負極活物質層24と正極活物質層14との間に位置している。   The negative electrode 20 includes a negative electrode current collector 22 and a negative electrode active material layer 24 formed on the negative electrode current collector 22. The positive electrode 10 includes a positive electrode current collector 12 and a positive electrode active material layer 14 formed on the positive electrode current collector 12. The separator 18 is located between the negative electrode active material layer 24 and the positive electrode active material layer 14.

図1の正極活物質層14は、正極活物質材料140を含有しており、その正極活物質材料は5価以上の遷移金属を中心としたポリアニオン骨格を含むリチウム含有ポリアニオン化合物からなるからなる被覆層143を有し、またその被覆層143と正極活物質141との間に元素拡散層142を有する。     The positive electrode active material layer 14 in FIG. 1 contains a positive electrode active material 140, and the positive electrode active material is made of a lithium-containing polyanion compound containing a polyanion skeleton centered on a pentavalent or higher transition metal. A layer 143, and an element diffusion layer 142 between the coating layer 143 and the positive electrode active material 141.

本実施形態においては、正極活物質141が5価以上の遷移金属を中心としたポリアニオン骨格を含むリチウム含有ポリアニオン化合物により被覆され、この被覆層143が電気化学的に安定であるため、電解質、特に有機電解質と正極活物質との接触界面で通常起こる分解反応を抑制することができる。したがって、高電圧充電時のサイクル容量の低下を改善することができる。     In the present embodiment, the positive electrode active material 141 is coated with a lithium-containing polyanion compound containing a polyanion skeleton centered on a pentavalent or higher transition metal, and the coating layer 143 is electrochemically stable. The decomposition reaction that normally occurs at the contact interface between the organic electrolyte and the positive electrode active material can be suppressed. Therefore, it is possible to improve the decrease in cycle capacity during high voltage charging.

さらに、ポリアニオン化合物に含まれるポリアニオン骨格には高価数の遷移金属イオンが含まれている。この遷移金属イオンはイオン半径が正極活物質に含まれている遷移金属イオンに近い値であると、元素拡散による密着性の高い界面形成が可能である。これにより電解質との接触を防ぐことができるため、リチウムホウ酸塩やリチウムリン酸塩などのポリアニオン化合物と比較すると、より効果的に高電圧充電時のサイクル特性の低下を改善する事ができる。このときポリアニオン骨格に含まれる遷移金属イオンは正極活物質と固溶体を形成するものであれば特に限定はされない。     Furthermore, the polyanion skeleton contained in the polyanion compound contains a high number of transition metal ions. If this transition metal ion has an ionic radius close to that of the transition metal ion contained in the positive electrode active material, it is possible to form an interface with high adhesion by element diffusion. As a result, contact with the electrolyte can be prevented, so that deterioration of cycle characteristics during high-voltage charging can be more effectively improved as compared with polyanion compounds such as lithium borate and lithium phosphate. At this time, the transition metal ion contained in the polyanion skeleton is not particularly limited as long as it forms a solid solution with the positive electrode active material.

さらに、上記元素拡散層142は、高電子伝導性を有する。これは通常3〜4価の価数をとる正極活物質の遷移金属サイトに、5価以上の遷移金属元素をドープすることでホールがキャリアとして注入された事に起因すると考えられる。リチウム含有ポリアニオン化合物は通常リチウムイオン伝導性も有するため、高い電子伝導性と合わせて、出力特性に優れた正極活物質材料を得ることができる。     Further, the element diffusion layer 142 has high electron conductivity. This is considered to be caused by the fact that holes are injected as carriers by doping a transition metal site having a valence of 3 to 4 with a transition metal element having a valence of 5 or more. Since the lithium-containing polyanion compound usually has lithium ion conductivity, a positive electrode active material excellent in output characteristics can be obtained together with high electronic conductivity.

したがって、本実施形態の正極活物質材料140では、高電圧充電時のサイクル特性および出力特性を、同時に改善する事ができる。
以下、本発明のリチウムイオン二次電池について、構成ごとに説明する。
Therefore, in the positive electrode active material 140 of the present embodiment, cycle characteristics and output characteristics during high voltage charging can be improved at the same time.
Hereinafter, the lithium ion secondary battery of this invention is demonstrated for every structure.

1.正極
正極は、正極集電体12と、正極集電体12上に形成された正極活物質層14と、を有し、正極活物質層14は5価以上の遷移金属を中心としたポリアニオン骨格を含むリチウムイオン含有ポリアニオン化合物からなる被覆層143を有する正極活物質材料140を含有するものであり、さらに被覆層143と正極活物質140との界面に元素拡散層を形成したものである。以下、正極の各構成について説明する。
1. The positive electrode has a positive electrode current collector 12 and a positive electrode active material layer 14 formed on the positive electrode current collector 12, and the positive electrode active material layer 14 is a polyanion skeleton centered on a pentavalent or higher valent transition metal. And a positive electrode active material 140 having a coating layer 143 made of a lithium ion-containing polyanion compound. Further, an element diffusion layer is formed at the interface between the coating layer 143 and the positive electrode active material 140. Hereinafter, each structure of the positive electrode will be described.

(正極活物質)
正極活物質は、リチウムイオンを吸蔵・放出することができるものであれば特に限定されるものではなく、例えば、スピネル系正極活物質であるLiMnやLiNi0.5Mn1.5、層状酸化物系であるLiMnO、LiCoO、LiNiO、LiNi0.33Co0.33Mn0.33、LiNi0.8Co0.15Al0.05、オリビン系正極活物質であるLiFePO、LiCoPO、LiNiPO等を挙げることができるが、特にリチウム含有層状酸化物系の正極活物質であることが好ましい。
(Positive electrode active material)
The positive electrode active material is not particularly limited as long as it can occlude and release lithium ions. For example, LiMn 2 O 4 and LiNi 0.5 Mn 1.5 O which are spinel positive electrode active materials. 4 , LiMnO 2 which is a layered oxide system, LiCoO 2 , LiNiO 2 , LiNi 0.33 Co 0.33 Mn 0.33 O 2 , LiNi 0.8 Co 0.15 Al 0.05 O 2 , olivine-based positive electrode LiFePO 4 as an active material, LiCoPO 4, can be cited LiNiPO 4, etc., particularly preferably a positive electrode active material of a lithium-containing layered oxide.

層状酸化物系の正極活物質は充電電圧を上げることでLiの脱挿入量(充放電容量)が増加し、エネルギー密度が向上すると共に、電解質との反応が起こりやすいため、本発明によるサイクル特性と出力特性の改善がより効果的となるためである。     Since the layered oxide-based positive electrode active material increases the Li insertion / desorption amount (charge / discharge capacity) by increasing the charging voltage, the energy density is improved, and the reaction with the electrolyte easily occurs. This is because the improvement of the output characteristics becomes more effective.

正極活物質141の粒径としては一次粒子径として30nm〜10μm程度が好ましい。これよりも小さくなると均一な被覆層の形成が困難となり、また大きすぎると出力特性が低下する傾向にある。また一次粒子は造粒されて二次粒子となっていても良く、その場合5μm〜50μm程度の二次粒子径が好ましい。これより粒子径が小さいと塗行性が悪くなり、また大きすぎると出力特性が低下するだけでなく、均一な塗膜を得ることも難しくなるためである。     The particle diameter of the positive electrode active material 141 is preferably about 30 nm to 10 μm as the primary particle diameter. If it is smaller than this, it is difficult to form a uniform coating layer, and if it is too large, the output characteristics tend to be lowered. The primary particles may be granulated to form secondary particles, in which case a secondary particle size of about 5 μm to 50 μm is preferred. If the particle size is smaller than this, the coatability is deteriorated, and if it is too large, not only the output characteristics are deteriorated but also it is difficult to obtain a uniform coating film.

正極活物質層14に含まれる正極活物質の含有量としては、正極活物質の種類によっても異なるが、具体的には80wt%〜99wt%程度であることが好ましいが、より好ましくは90wt%〜99wt%の範囲内である。     As content of the positive electrode active material contained in the positive electrode active material layer 14, although it changes also with kinds of positive electrode active material, it is preferable that it is specifically about 80 wt%-99 wt%, More preferably, it is 90 wt%- It is in the range of 99 wt%.

(被覆層)
被覆層143は、結晶性または非晶質のリチウム含有ポリアニオン化合物からなるものであり、特にポリアニオン化合物を構成するポリアニオン骨格が遷移金属を中心とした構造であることを特徴とするものである。
(Coating layer)
The coating layer 143 is made of a crystalline or amorphous lithium-containing polyanion compound, and is particularly characterized in that the polyanion skeleton constituting the polyanion compound has a structure centered on a transition metal.

このようなリチウム含有ポリアニオン化合物は、一般式Li1+x4+3x(x=0、1、 y=2、3、4、 M=5価以上の遷移金属イオン)で表され、構造中に遷移金属を中心としたMO四面体、もしくはその四面体が頂点共有により二量化した構造であるMをポリアニオンとして含有しており、それらポリアニオンの周囲をリチウムイオンが取り囲む形で結晶構造を作っている。これらリチウムイオンは豊富な移動経路を有し、固体内を拡散可能なため、前記ポリアニオン化合物はリチウムイオン伝導体として機能することができる。 Such a lithium-containing polyanion compound is represented by the general formula Li y M 1 + x O 4 + 3x (x = 0, 1, y = 2, 3, 4, M = transition metal ion having a valence of 5 or more), and transitions in the structure It contains MO 4 tetrahedron centered on metal, or M 2 O 7 which is a dimerized structure of the tetrahedron by sharing apexes as a polyanion, and the crystal structure is formed by surrounding the polyanion with lithium ions. I'm making it. Since these lithium ions have abundant movement paths and can diffuse in the solid, the polyanion compound can function as a lithium ion conductor.

またポリアニオンを形成している金属−酸素結合は共有結合性が強く、化学的な安定性が高い。高電位でも電解質と反応しにくいため、正極活物質表面を被覆することで正極活物質と電解質との反応を抑制する反応抑制層とすることができる。     Further, the metal-oxygen bond forming the polyanion has a strong covalent bond and high chemical stability. Since it does not easily react with the electrolyte even at a high potential, a reaction suppression layer that suppresses the reaction between the positive electrode active material and the electrolyte can be obtained by covering the surface of the positive electrode active material.

被覆層はメカニカルミリングなどの乾式法や、ゾルゲルコートなどの湿式法によって形成することができ、正極活物質全体を均一に被覆していることが望ましいが、不均一であっても構わない。また、被覆層の厚みについても特に限定はされない。     The coating layer can be formed by a dry method such as mechanical milling or a wet method such as sol-gel coating, and desirably coats the entire positive electrode active material uniformly, but it may be non-uniform. Further, the thickness of the coating layer is not particularly limited.

リチウム含有ポリアニオン化合物は、結晶性であっても非晶質であっても構わない。     The lithium-containing polyanion compound may be crystalline or amorphous.

リチウム含有ポリアニオンが結晶性の場合はX線回折測定(XRD)による同定が可能である。     When the lithium-containing polyanion is crystalline, identification by X-ray diffraction measurement (XRD) is possible.

リチウム含有ポリアニオンが非晶質の場合は、赤外分光(IR)やラマン分光測定、誘導結合プラズマ(ICP)による同定が可能である。     When the lithium-containing polyanion is amorphous, identification by infrared spectroscopy (IR), Raman spectroscopy, or inductively coupled plasma (ICP) is possible.

(元素拡散層)
元素拡散層142は、リチウム含有ポリアニオン化合物を正極活物質141表面に被覆したのち熱処理を行うことで形成するものであり、ポリアニオン骨格中に含まれる遷移金属元素が一部正極活物質側に拡散し、また正極活物質中の遷移金属元素が一部ポリアニオン化合物側に拡散したものである。この元素拡散層142は元素の熱拡散によるため原理的に被覆層が結晶性のものでも非晶質のものでも形成することができる。
(Element diffusion layer)
The element diffusion layer 142 is formed by coating the surface of the positive electrode active material 141 with a lithium-containing polyanion compound and then performing a heat treatment. A part of the transition metal element contained in the polyanion skeleton diffuses to the positive electrode active material side. In addition, the transition metal element in the positive electrode active material is partially diffused to the polyanion compound side. Since this element diffusion layer 142 is based on thermal diffusion of elements, it can be formed in principle regardless of whether the coating layer is crystalline or amorphous.

元素拡散層142は正極活物質と被覆層との界面に形成する(図2)。被覆層143が不均一なものであっても、被覆層が正極活物質に接触さえしていれば元素拡散層を形成することができるため、被覆層と元素拡散層の効果を得ることができる。     The element diffusion layer 142 is formed at the interface between the positive electrode active material and the coating layer (FIG. 2). Even if the coating layer 143 is not uniform, the element diffusion layer can be formed as long as the coating layer is in contact with the positive electrode active material, so that the effects of the coating layer and the element diffusion layer can be obtained. .

元素拡散層142の厚みは熱処理条件等、元素拡散速度を支配する因子によって制御することができる。     The thickness of the element diffusion layer 142 can be controlled by factors that govern the element diffusion rate, such as heat treatment conditions.

元素拡散層142の厚みは、1nm〜100nmが好ましいが、より好ましくは1nm〜50nm程度である。元素拡散層の厚みが厚すぎると、充放電容量が低下する。これは充放電に寄与しない高価数の遷移金属元素の正極活物質への固溶が顕著となるためと推測される。     The thickness of the element diffusion layer 142 is preferably 1 nm to 100 nm, more preferably about 1 nm to 50 nm. If the thickness of the element diffusion layer is too thick, the charge / discharge capacity decreases. This is presumably because the solid solution of a high number of transition metal elements that do not contribute to charge and discharge into the positive electrode active material becomes significant.

元素拡散層142の厚みは、走査透過型電子顕微鏡と組み合わせたエネルギー分散型X線分析または電子線エネルギー損失分光法(TEM−EDXまたはSTEM−EELS)、もしくは飛行型二次イオン質量分析(TOF−SIMS)によって評価できる。元素拡散層142の厚みは10点以上の平均を取り、算出するのが望ましい。     The thickness of the element diffusion layer 142 is determined by energy dispersive X-ray analysis combined with a scanning transmission electron microscope, electron beam energy loss spectroscopy (TEM-EDX or STEM-EELS), or flight secondary ion mass spectrometry (TOF- SIMS). The thickness of the element diffusion layer 142 is preferably calculated by taking an average of 10 or more points.

(その他)
本実施形態に用いられる正極10は、さらに導電剤および結着剤(バインダ)を含有していても良い。
結着剤としては、例えばポリビニリデンフルオライド(PVDF)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)等を挙げることができる。
また、導電剤としては、例えばアセチレンブラック、ケッチェンブラックなどのカーボンブラック等を挙げることができる。
(Other)
The positive electrode 10 used in the present embodiment may further contain a conductive agent and a binder (binder).
Examples of the binder include polyvinylidene fluoride (PVDF) and polytetrafluoroethylene (PTFE).
Examples of the conductive agent include carbon black such as acetylene black and ketjen black.

正極活物質層14の形成方法としては、一般的な方法を用いることができる。例えば、上記の固体粉末を表面に有する正極活物質と、結着剤と、導電剤とを含有する正極活物質層形成用ペーストを、正極集電体12上に塗布して乾燥させた後に、プレスすることにより正極活物質層14を形成する事ができる。     As a method for forming the positive electrode active material layer 14, a general method can be used. For example, after the positive electrode active material having the above-mentioned solid powder on the surface, a binder, and a positive electrode active material layer forming paste containing a conductive agent are applied on the positive electrode current collector 12 and dried, The positive electrode active material layer 14 can be formed by pressing.

正極活物質層14は、正極集電体12上に形成されていても良い。正極集電体12の材料としては、導電性を有するものであれば特に限定されるものではなく、例えば、アルミニウム、SUS、ニッケル、鉄およびチタンなどを挙げることができる。中でも、アルミニウムおよびSUSが好ましく用いられる。     The positive electrode active material layer 14 may be formed on the positive electrode current collector 12. The material of the positive electrode current collector 12 is not particularly limited as long as it has conductivity, and examples thereof include aluminum, SUS, nickel, iron, and titanium. Of these, aluminum and SUS are preferably used.

2.負極
本発明に用いられる負極20は、負極集電体22と、負極集電体22上に形成された負極活物質層24と、を有するものであり、必要に応じて、導電剤および結着剤を含有していても良い。
2. Negative Electrode The negative electrode 20 used in the present invention has a negative electrode current collector 22 and a negative electrode active material layer 24 formed on the negative electrode current collector 22, and if necessary, a conductive agent and a binder. An agent may be contained.

負極活物質層24としては、少なくとも負極活物質を含有するものであり、必要に応じて、導電剤および結着剤を含有していても良い。     The negative electrode active material layer 24 contains at least a negative electrode active material, and may contain a conductive agent and a binder as necessary.

負極活物質としては、リチウムイオンを吸蔵・放出することができるものであれば特に限定されるものではなく、例えば、金属リチウム、リチウム合金、金属酸化物、金属硫化物、金属窒化物、およびグラファイトなどの炭素材料等を挙げる事ができる。また、負極活物質は、粉末状であっても良く、薄膜状であっても良い。
なお、負極活物質層に用いられる結着剤および導電剤については、上記正極活物質層に用いられる結着剤および導電剤と同様のものを用いることができる。
また、負極活物質層の形成方法としては上記正極活物質層の形成方法と同様であるので、ここでの説明は省略する。
The negative electrode active material is not particularly limited as long as it can occlude and release lithium ions. For example, metal lithium, lithium alloy, metal oxide, metal sulfide, metal nitride, and graphite And carbon materials. The negative electrode active material may be in the form of a powder or a thin film.
In addition, about the binder and electrically conductive agent used for a negative electrode active material layer, the thing similar to the binder and electrically conductive agent used for the said positive electrode active material layer can be used.
Moreover, since the formation method of a negative electrode active material layer is the same as the formation method of the said positive electrode active material layer, description here is abbreviate | omitted.

負極活物質層24は負極集電体22上に形成されていても良い。負極集電体22の材料としては、導電性を有するものであれば特に限定されるものではなく、例えば、銅、ステンレス、ニッケルなどを挙げることができる。     The negative electrode active material layer 24 may be formed on the negative electrode current collector 22. The material of the negative electrode current collector 22 is not particularly limited as long as it has conductivity, and examples thereof include copper, stainless steel, and nickel.

3.セパレータ
セパレータ18としては、電解質を保持する機能を有するものであれば特に限定されるものではなく、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレンなどの多孔膜、樹脂不織布、ガラス繊維不織布等を挙げることができる。
3. Separator The separator 18 is not particularly limited as long as it has a function of retaining an electrolyte, and examples thereof include a porous film such as polyethylene and polypropylene, a resin nonwoven fabric, and a glass fiber nonwoven fabric.

4.電解質
本実施形態で用いられる電解質は、上記リチウム含有ポリアニオン化合物からなる被覆層を有する正極活物質材料と接触するように配置されたものであり、有機物でも無機物でも構わないが、特に有機電解質である場合に高い効果を発揮する。
4). Electrolyte The electrolyte used in the present embodiment is disposed so as to be in contact with the positive electrode active material having a coating layer made of the lithium-containing polyanion compound, and may be organic or inorganic, but is particularly an organic electrolyte. High effect in case.

有機電解質としては、上記リチウム含有ポリアニオン化合物からなる被覆層を有する正極活物質材料に接触するように配置することができ、酸化分解され得るものであれば特に限定されるものではなく、例えば、有機電解液、ポリマー電解質、ゲル電解質などを挙げることができる。     The organic electrolyte is not particularly limited as long as it can be disposed so as to be in contact with the positive electrode active material having a coating layer made of the lithium-containing polyanion compound and can be oxidatively decomposed. Examples thereof include an electrolytic solution, a polymer electrolyte, and a gel electrolyte.

有機電解液としては、通常、リチウム塩および非水系溶媒を含有する非水電解液が使用される。
リチウム塩としては、一般的なリチウムイオン二次電池に用いられるリチウム塩であれば特に限定されるものではなく、例えばLiPF、LiBF、LiN(CFSO、LiCFSO、LiC(CFSOおよびLiClO等を挙げることができる。
As the organic electrolyte, a non-aqueous electrolyte containing a lithium salt and a non-aqueous solvent is usually used.
The lithium salt is not particularly limited as long as it is a lithium salt used in a general lithium ion secondary battery. For example, LiPF 6 , LiBF 4 , LiN (CF 3 SO 2 ) 2 , LiCF 3 SO 3 , Examples include LiC (CF 3 SO 2 ) 3 and LiClO 4 .

また、非水溶媒としては、上記リチウム塩を溶解できるものであれば特に限定されるものではなく、例えば、プロピレンカーボネート、エチレンカーボネート、ジエチルカーボネート、ジメチルカーボネート、エチルメチルカーボネート、1、2−ジメトキシエタン、1、2−ジエトキシエタン、アセトニトリル、プロピオニトリル、テトラヒドロフラン、2−メチルテトラヒドロフラン、ジオキサン、1、3−ジオキソラン、ニトロメタン、N、N−ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシド、スルホラン、γ―ブチロラクトンなどが挙げられる。これらの非水溶媒は、一種のみ用いてもよく、二種以上を混合して用いても良い。また、非水系電解液として、低温溶融塩を用いることもできる。 The non-aqueous solvent is not particularly limited as long as it can dissolve the lithium salt. For example, propylene carbonate, ethylene carbonate, diethyl carbonate, dimethyl carbonate, ethyl methyl carbonate, 1,2-dimethoxyethane. 1,2-diethoxyethane, acetonitrile, propionitrile, tetrahydrofuran, 2-methyltetrahydrofuran, dioxane, 1,3-dioxolane, nitromethane, N, N-dimethylformamide, dimethyl sulfoxide, sulfolane, γ-butyrolactone, etc. It is done. These nonaqueous solvents may be used alone or in combination of two or more. Moreover, a low temperature molten salt can also be used as a non-aqueous electrolyte solution.

ポリマー電解質は、リチウム塩およびポリマーを含有するものである。
リチウム塩としては、上記有機電解液に用いられるリチウム塩と同様のものを用いることができる。
また、ポリマーとしては、ゲル化が可能なものであれば特に限定されるものではなく、例えば、ポリエチレンオキシド、ポリプロプレンオキシド、ポリアクリルニトリル、ポリビニリデンフルオライド(PVDF)、ポリウレタン、ポリアクリレート、セルロースなどが挙げられる。
The polymer electrolyte contains a lithium salt and a polymer.
As a lithium salt, the thing similar to the lithium salt used for the said organic electrolyte solution can be used.
The polymer is not particularly limited as long as it can be gelled. For example, polyethylene oxide, polypropylene oxide, polyacrylonitrile, polyvinylidene fluoride (PVDF), polyurethane, polyacrylate, cellulose Etc.

5.電池ケース
ケース50は、その内部に積層体30及び電解液を密封するものである。ケース50は、電解液の外部への漏出や、外部からのリチウムイオン二次電池100内部への水分等の侵入等を抑止できる物であれば特に限定されない。例えば、ケース50として、図1に示すように、金属箔52を高分子膜54で両側からコーティングした金属ラミネートフィルムを利用できる。金属箔52としては例えばアルミ箔を、高分子膜54としてはポリプロピレン等の膜を利用できる。例えば、外側の高分子膜54の材料としては融点の高い高分子、例えば、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリアミド等が好ましく、内側の高分子膜54の材料としてはポリエチレン(PE)、ポリプロピレン(PP)等が好ましい。
5. Battery Case The case 50 is for sealing the laminate 30 and the electrolytic solution therein. The case 50 is not particularly limited as long as it can suppress leakage of the electrolytic solution to the outside and entry of moisture and the like into the lithium ion secondary battery 100 from the outside. For example, as the case 50, as shown in FIG. 1, a metal laminate film in which a metal foil 52 is coated with a polymer film 54 from both sides can be used. For example, an aluminum foil can be used as the metal foil 52 and a film such as polypropylene can be used as the polymer film 54. For example, the material of the outer polymer film 54 is preferably a polymer having a high melting point, such as polyethylene terephthalate (PET) or polyamide, and the material of the inner polymer film 54 is polyethylene (PE) or polypropylene (PP). Etc. are preferred.

B.リチウムイオン二次電池の製造方法
本発明のリチウムイオン二次電池100の製造方法は、正極活物質層14と、負極活物質層24と、有機電解質とを有するリチウムイオン二次電池100の製造方法であって、正極活物質被覆用のリチウム含有ポリアニオン化合物粒子と、正極活物質とを混合して、リチウム含有ポリアニオン化合物からなる被覆層を表面に有する正極活物質材料を調製する正極活物質材料調製工程を有する。
B. Manufacturing method of lithium ion secondary battery The manufacturing method of the lithium ion secondary battery 100 of this invention is the manufacturing method of the lithium ion secondary battery 100 which has the positive electrode active material layer 14, the negative electrode active material layer 24, and an organic electrolyte. A cathode active material preparation for preparing a cathode active material having a coating layer made of a lithium-containing polyanion compound on the surface by mixing lithium-containing polyanion compound particles for coating a cathode active material and a cathode active material Process.

本実施態様によれば、リチウム含有ポリアニオン化合物からなる被覆層を有する正極活物質材料を得ることができる。このような正極活物質材料を用いて正極活物質層を形成することにより、高電圧充電時のサイクル容量の低下を抑制し、かつ、急速充放電時の容量の低下を抑制することが可能なリチウムイオン二次電池を得ることができる。
以下、本実施態様のリチウム二イオン次電池の製造方法における各工程について説明する。
According to this embodiment, a positive electrode active material having a coating layer made of a lithium-containing polyanion compound can be obtained. By forming a positive electrode active material layer using such a positive electrode active material, it is possible to suppress a decrease in cycle capacity during high-voltage charging and to suppress a decrease in capacity during rapid charge / discharge. A lithium ion secondary battery can be obtained.
Hereinafter, each process in the manufacturing method of the lithium secondary ion battery of this embodiment is demonstrated.

(1)正極活物質材料調製工程
本実施態様における正極活物質材料の調製工程は、リチウム含有ポリアニオン化合物粒子と正極活物質粒子とを混合して、リチウム含有ポリアニオン化合物からなる被覆層を有する正極活物質材料を調製する工程である。
(1) Cathode Active Material Material Preparation Step In the embodiment, the cathode active material material preparation step is a mixture of lithium-containing polyanion compound particles and cathode active material particles, and a cathode active material having a coating layer made of a lithium-containing polyanion compound. This is a process for preparing a material.

リチウム含有ポリアニオン化合物粒子および正極活物質材料を混合する方法としては、リチウム含有ポリアニオン化合物からなる被覆層を有する正極活物質を得ることができる方法であれば特に限定されるものではない。また、混合方法として、メカニカルミリング法を用いてもよい。     The method for mixing the lithium-containing polyanion compound particles and the positive electrode active material is not particularly limited as long as it is a method capable of obtaining a positive electrode active material having a coating layer made of a lithium-containing polyanion compound. Further, a mechanical milling method may be used as a mixing method.

リチウム含有ポリアニオン化合物粒子および正極活物質粒子を混合する際の雰囲気としては、例えば、大気雰囲気であってもよく、不活性ガス雰囲気であってもよい。     The atmosphere when mixing the lithium-containing polyanion compound particles and the positive electrode active material particles may be, for example, an air atmosphere or an inert gas atmosphere.

(2)元素拡散層形成工程
次に、本実施形態における元素拡散層形成工程について説明する。本実施形態における元素拡散層形成工程は、5価以上の遷移金属を中心としたポリアニオン骨格を含むリチウム含有ポリアニオン化合物により被覆された正極活物質を熱処理し、正極活物質と上記リチウム含有ポリアニオン化合物との界面近傍に、互いの遷移金属イオンが拡散し合った元素拡散層を形成する工程である。
(2) Element diffusion layer formation process Next, the element diffusion layer formation process in this embodiment is demonstrated. In the element diffusion layer forming step in the present embodiment, a positive electrode active material coated with a lithium-containing polyanion compound containing a polyanion skeleton centered on a pentavalent or higher transition metal is heat-treated, and the positive electrode active material, the lithium-containing polyanion compound, This is a step of forming an element diffusion layer in which the transition metal ions are diffused in the vicinity of the interface.

本工程における熱処理温度としては、400℃〜900℃の範囲内であることが好ましく、500℃〜800℃の範囲内であることがより好ましい。
また、本工程における熱処理時間としては、0.5時間〜3時間の範囲内であることが好ましく、0.5時間〜1.5時間の範囲内であることがより好ましい。
As heat processing temperature in this process, it is preferable to exist in the range of 400 to 900 degreeC, and it is more preferable to exist in the range of 500 to 800 degreeC.
Further, the heat treatment time in this step is preferably in the range of 0.5 hours to 3 hours, and more preferably in the range of 0.5 hours to 1.5 hours.

本工程における熱処理雰囲気としては、目的とする元素拡散層を形成することができ、正極活物質材料を劣化させる雰囲気でなければ特に限定されるものではなく、例えば、大気雰囲気、酸素雰囲気、窒素雰囲気やアルゴン−水素雰囲気などを挙げることができる。また、正極活物質材料の熱処理方法としては、例えば、焼成炉を用いる方法等を挙げることができる。     The heat treatment atmosphere in this step is not particularly limited as long as the target element diffusion layer can be formed and the cathode active material material is not deteriorated. For example, an air atmosphere, an oxygen atmosphere, a nitrogen atmosphere And an argon-hydrogen atmosphere. Examples of the heat treatment method for the positive electrode active material include a method using a firing furnace.

また、本実施形態における元素拡散層形成方法は、元素拡散層が形成可能なものであれば熱処理に限らない。元素拡散層を形成できるものであれば、たとえば電磁波(赤外線やマイクロ波)の照射や、メカニカルミリングなどであってもよい。     The element diffusion layer forming method in the present embodiment is not limited to heat treatment as long as the element diffusion layer can be formed. As long as the element diffusion layer can be formed, irradiation with electromagnetic waves (infrared rays or microwaves), mechanical milling, or the like may be used.

なお、正極活物質材料については上記「A.リチウム二次電池」に記載したので、ここでの説明は省略する。     Since the positive electrode active material is described in “A. Lithium secondary battery”, description thereof is omitted here.

(3)その他の工程
本実施態様のリチウムイオン二次電池100の製造方法は、少なくとも上記正極活物質材料調製工程を有するものであれば特に限定されるものではなく、例えば、上記正極活物質材料調製工程にて得られた、リチウム含有ポリアニオン化合物からなる被覆層を有する正極活物質材料を含有する正極活物質層14を形成する正極活物質層形成工程、負極活物質層24を形成する負極活物質層形成工程、およびリチウムイオン二次電池を組立てる電池組立工程等を有していてもよい。これらの工程については、一般的なリチウム二次電池における工程と同様であるので、ここでの説明は省略する。また、得られるリチウムイオン二次電池については、上記「A.リチウム二次電池」に記載したものと同様であるので、ここでの説明は省略する
(3) Other process The manufacturing method of the lithium ion secondary battery 100 of this embodiment will not be specifically limited if it has at least the said positive electrode active material material preparation process, For example, the said positive electrode active material material A positive electrode active material layer forming step for forming a positive electrode active material layer 14 containing a positive electrode active material having a coating layer made of a lithium-containing polyanion compound obtained in the preparation step, and a negative electrode active material for forming a negative electrode active material layer 24 You may have the material layer formation process, the battery assembly process of assembling a lithium ion secondary battery, etc. Since these steps are the same as those in a general lithium secondary battery, description thereof is omitted here. Further, the obtained lithium ion secondary battery is the same as that described in the above “A. Lithium secondary battery”, and thus the description thereof is omitted here.

なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は、例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。     The present invention is not limited to the above embodiment. The above-described embodiment is an exemplification, and the present invention has substantially the same configuration as the technical idea described in the claims of the present invention, and any device that exhibits the same function and effect is the present invention. It is included in the technical scope of the invention.

以下に実施例を示して本発明をさらに具体的に説明する。     Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to examples.

[実施例1]
(正極活物質材料の作製)
被覆材であるLiVOと正極活物質であるLiNi0.8Co0.15l0.05とを1:99(重量比)となるように秤量し、ポットミルにより混合・複合化処理を行った。続いて、この正極活物質とメディアをふるいにより分離し、マッフル炉にて500℃、1時間半の熱処理を行い、正極活物質材料を得た。
[Example 1]
(Preparation of positive electrode active material)
Li 3 VO 4 as a coating material and LiN i0.8 Co 0.15 Al 0.05 O 2 as a positive electrode active material are weighed so as to be 1:99 (weight ratio), and mixed and combined by a pot mill. Processed. Subsequently, the positive electrode active material and the media were separated by sieving, and heat treatment was performed at 500 ° C. for 1 hour and a half in a muffle furnace to obtain a positive electrode active material.

(正極活物質層の作製)
上記の正極活物質材料とアセチレンブラックとを混合し、さらにn−メチルピロリドン(NMP)に溶解したポリビニリデンフロライド(PVDF)バインダーを添加し、スラリーを作製した。正極活物質材料とアセチレンブラックとPVDFとの混合割合は、92:4:4(重量比)とした。このスラリーをAl集電体に塗布し、乾燥後、プレスすることにより正極活物質層を作製した。
(Preparation of positive electrode active material layer)
The above positive electrode active material and acetylene black were mixed, and a polyvinylidene fluoride (PVDF) binder dissolved in n-methylpyrrolidone (NMP) was added to prepare a slurry. The mixing ratio of the positive electrode active material, acetylene black, and PVDF was 92: 4: 4 (weight ratio). The slurry was applied to an Al current collector, dried, and pressed to prepare a positive electrode active material layer.

(リチウムイオン二次電池の作製)
上記の正極活物質層と、銅箔(厚み16μm)をそれぞれ所定の寸法に切断し、それぞれに外部引き出し端子としてアルミニウム箔(幅4mm、長さ40mm、厚み100μm)、ニッケル箔(幅4mm、長さ40mm、厚み100μm)を超音波溶接した。この外部引き出し端子に、ポリプロピレン(PP)を巻き付け熱接着させた。これら正極および銅箔の間に所定の寸法に切断したポリエチレン製のセパレータをはさみ、これら電池要素をポリエチレンテレフタレート(PET)層、Al層及びポリプロピレン(PP)層から構成されるアルミニウムラミネート材料に熱圧着により固定した。セパレータはポリエチレン製の微多孔質膜を用いた。得られた電池要素は乾燥したのち、アルゴンガスで満たされたグローブボックス中に移し、銅箔上に所定の寸法に切断したLi箔を貼り付けた。ラミネート剤のPET層の厚さは12μm、Al層の厚さは40μm、PP層の厚さは50μmであった。また電池外装体の作製では、PP層を外装体の内側に配置させた。この外装体の中に電池要素を入れ、エチレンカーボネート(EC)およびジメチルカーボネート(DMC)を体積比率3:7で混合した混合溶媒と、リチ六フッ化リン酸リチウム(LiPF6)を濃度1mol/dmで含んだ電解液を適当量添加し、外装体を真空密封した。これにより、実施例1のリチウムイオン二次電池を作製した。
(Production of lithium ion secondary battery)
The positive electrode active material layer and the copper foil (thickness 16 μm) are cut into predetermined dimensions, respectively, and an aluminum foil (width 4 mm, length 40 mm, thickness 100 μm), nickel foil (width 4 mm, length) are used as external lead terminals, respectively. 40 mm, thickness 100 μm) was ultrasonically welded. Polypropylene (PP) was wrapped around this external lead terminal and thermally bonded. A polyethylene separator cut to a predetermined size is sandwiched between the positive electrode and copper foil, and these battery elements are thermocompression bonded to an aluminum laminate material composed of a polyethylene terephthalate (PET) layer, an Al layer, and a polypropylene (PP) layer. Fixed by. The separator used was a polyethylene microporous membrane. After the obtained battery element was dried, it was transferred into a glove box filled with argon gas, and a Li foil cut to a predetermined size was pasted on the copper foil. The thickness of the PET layer of the laminating agent was 12 μm, the thickness of the Al layer was 40 μm, and the thickness of the PP layer was 50 μm. Further, in the production of the battery outer package, the PP layer was disposed inside the outer package. A battery element is placed in the outer package, and a mixed solvent in which ethylene carbonate (EC) and dimethyl carbonate (DMC) are mixed at a volume ratio of 3: 7, and lithium lithium hexafluorophosphate (LiPF6) at a concentration of 1 mol / dm. An appropriate amount of the electrolyte solution contained in 3 was added, and the outer package was vacuum-sealed. Thereby, the lithium ion secondary battery of Example 1 was produced.

(電気特性の測定)
実施例1の電池を、電流密度として0.2Cに相当する電流値で4.5Vまで定電流で充電した後、4.5Vで定電圧充電を行った。定電圧充電は電流密度が0.02Cに相当する値に低下するまで続けた。その後、0.2Cの電流密度で2.5Vまで定電流放電した。このとき、実施例1の初回放電容量は210mAh/gであった。次に電流密度を2.0Cに相当する電流値まで上げ、4.5Vまで定電流で充電した後、4.5Vで定電圧充電を行った。定電圧充電は電流密度が0.2Cに相当する値に低下するまで続けた。その後、2.0Cの電流密度で2.5Vまで定電流放電した。これら測定で得られた0.2Cにおける放電容量に対する2.0Cにおける放電容量の比を、放電容量比として表1〜3に示す。
上記の電気特性の測定後、さらに1.0Cに相当する電流値で4.5Vまで定電流で充電した後、4.5Vで定電圧充電を行った。定電圧充電は電流密度が0.05Cに相当する値に低下するまで続けた。その後、1.0Cの電流密度で2.5Vまで定電流放電した。これを30サイクル繰返すサイクル試験を行った。試験は25℃で行った。実施例1の電池の1サイクル目の放電容量を100%とすると、30サイクル後の放電容量は88.8%であった。本明細書では、1サイクル目の放電容量を100%としたときの、30サイクル後の放電容量の割合を容量維持率とし、表1〜3中に記載した。サイクル特性が高いことは、30サイクル後の放電容量が高いまま維持されていることを言い、電池が充放電サイクルにおける耐久性に優れていることを示す。
表1に本正極活物質材料の作成条件とともに電気特性を示す。
(Measurement of electrical characteristics)
The battery of Example 1 was charged at a constant current up to 4.5 V at a current value corresponding to 0.2 C as the current density, and then charged at a constant voltage at 4.5 V. Constant voltage charging was continued until the current density dropped to a value corresponding to 0.02C. Thereafter, constant current discharge was performed to 2.5 V at a current density of 0.2C. At this time, the initial discharge capacity of Example 1 was 210 mAh / g. Next, the current density was increased to a current value corresponding to 2.0 C, charged at a constant current up to 4.5 V, and then charged at a constant voltage at 4.5 V. Constant voltage charging was continued until the current density dropped to a value corresponding to 0.2C. Thereafter, constant current discharge was performed to 2.5 V at a current density of 2.0 C. The ratio of the discharge capacity at 2.0 C to the discharge capacity at 0.2 C obtained by these measurements is shown in Tables 1 to 3 as the discharge capacity ratio.
After the measurement of the above electric characteristics, the battery was further charged at a constant current up to 4.5 V at a current value corresponding to 1.0 C, and then charged at a constant voltage at 4.5 V. Constant voltage charging was continued until the current density dropped to a value corresponding to 0.05C. Thereafter, constant current discharge was performed to 2.5 V at a current density of 1.0 C. A cycle test was repeated for 30 cycles. The test was conducted at 25 ° C. Assuming that the discharge capacity at the first cycle of the battery of Example 1 was 100%, the discharge capacity after 30 cycles was 88.8%. In this specification, when the discharge capacity at the first cycle is 100%, the ratio of the discharge capacity after 30 cycles is referred to as a capacity maintenance rate and is shown in Tables 1 to 3. A high cycle characteristic means that the discharge capacity after 30 cycles is maintained high, and indicates that the battery is excellent in durability in the charge / discharge cycle.
Table 1 shows the electrical characteristics along with the preparation conditions of the positive electrode active material.

[比較例1]
被覆材と正極活物質との混合・複合化の過程が無い事以外は、実施例1と同様の方法でリチウムイオン二次電池の作製と電気特性の測定を行った。
表1に放電容量比と容量維持率を示す。被覆材を有するものと比べて放電容量比、容量維持率ともに低い値となっている事が分かる。
[Comparative Example 1]
A lithium ion secondary battery was produced and its electrical characteristics were measured in the same manner as in Example 1 except that there was no mixing / combination process of the coating material and the positive electrode active material.
Table 1 shows the discharge capacity ratio and capacity retention rate. It can be seen that both the discharge capacity ratio and the capacity retention rate are lower than those having the coating material.

[比較例2および3]
被覆材としてそれぞれLiPOとLiBOを使用した事以外は、実施例1と同様の方法でリチウムイオン二次電池の作製と電気特性の測定を行った。
表1に放電容量比と容量維持率を示す。ポリアニオン骨格中に遷移金属を含むものと比較すると、LiPOやLiBOで被覆したものは放電容量比、容量維持率ともに低い事が分かる。
[Comparative Examples 2 and 3]
A lithium ion secondary battery was produced and its electrical characteristics were measured in the same manner as in Example 1 except that Li 3 PO 4 and Li 3 BO 3 were used as the covering materials, respectively.
Table 1 shows the discharge capacity ratio and capacity retention rate. It can be seen that both the discharge capacity ratio and the capacity retention rate are lower in the case of coating with Li 3 PO 4 or Li 3 BO 3 than in the case of containing a transition metal in the polyanion skeleton.

[実施例2〜5]
被覆材が表1に示す被覆材である事以外は、実施例1と同様の方法でリチウムイオン二次電池の作製と電気特性の測定を行った。
表1に放電容量比と容量維持率を示す。放電容量比が高いもの程、容量維持率も高いことが分かる。電気特性としてはLiNbOで被覆したものが最も優れ、LiNbO>LiCr>LiCrO>LiVO>LiWOの順に特性が良い。
[Examples 2 to 5]
A lithium ion secondary battery was produced and its electrical characteristics were measured in the same manner as in Example 1 except that the coating material was the coating material shown in Table 1.
Table 1 shows the discharge capacity ratio and capacity retention rate. It can be seen that the higher the discharge capacity ratio, the higher the capacity retention rate. As the electrical characteristics, those coated with Li 3 NbO 4 are the most excellent, and the characteristics are good in the order of Li 3 NbO 4 > Li 2 Cr 2 O 7 > Li 2 CrO 4 > Li 3 VO 4 > Li 2 WO 4 .

Figure 2016009614
Figure 2016009614

[実施例6〜8]
実施例1〜5において最も特性の良かった被覆材であるLiNbOについて、正極活物質の種類を変えて電気特性の検討を行った。
使用した正極活物質の種類を表2に示す。活物質の種類以外は、実施例4と同様の方法で正極活物質材料の合成とリチウムイオン二次電池の作製および電気特性の評価を行った。
[Examples 6 to 8]
Regarding Li 3 NbO 4 which is the coating material having the best characteristics in Examples 1 to 5, the electrical characteristics were examined by changing the type of the positive electrode active material.
Table 2 shows the types of positive electrode active materials used. Except for the type of active material, synthesis of a positive electrode active material, production of a lithium ion secondary battery, and evaluation of electrical characteristics were performed in the same manner as in Example 4.

[比較例4〜6]
LiNbOの電気特性に与える効果を検証するため、実施例6〜8で使用した正極活物質に被覆材を使用せずに電気特性の評価を行った。
正極活物質の種類が表2に示すものである事以外は、比較例1と同様の方法でリチウムイオン二次電池の作製および電気特性の評価を行った。
表2に挙げているように、LiNbOで被覆を行うと、放電容量比、容量維持率がともに改善する事が分かる。最も特性の良かった正極活物質はLiCoOにLiNbOを被覆したものであり、放電容量比および容量維持率はそれぞれ0.82と97.1%であった。
[Comparative Examples 4 to 6]
In order to verify the effect on the electrical characteristics of Li 3 NbO 4, the electrical characteristics were evaluated without using a coating material for the positive electrode active materials used in Examples 6-8.
A lithium ion secondary battery was prepared and electrical characteristics were evaluated in the same manner as in Comparative Example 1 except that the type of the positive electrode active material was as shown in Table 2.
As shown in Table 2, it can be seen that when the coating is performed with Li 3 NbO 4 , both the discharge capacity ratio and the capacity retention ratio are improved. The positive electrode active material having the best characteristics was obtained by coating LiCoO 2 with Li 3 NbO 4 , and the discharge capacity ratio and capacity retention rate were 0.82 and 97.1%, respectively.

Figure 2016009614
Figure 2016009614

[実施例9〜12および比較例7〜8]
被覆層と正極活物質界面に生じる元素拡散層の影響を調べるため、LiNbOを被覆したLiCoOについて熱処理温度を変えて電気特性の検討を行った。
熱処理温度が表3に示すものである事以外は、実施例6と同様の方法で正極活物質材料の合成とリチウムイオン二次電池の作製および電気特性の評価を行った。
[Examples 9 to 12 and Comparative Examples 7 to 8]
In order to investigate the influence of the element diffusion layer generated at the interface between the coating layer and the positive electrode active material, the electrical characteristics of LiCoO 2 coated with Li 3 NbO 4 were examined by changing the heat treatment temperature.
Except that the heat treatment temperature is as shown in Table 3, synthesis of a positive electrode active material, production of a lithium ion secondary battery, and evaluation of electrical characteristics were performed in the same manner as in Example 6.

図3は、元素拡散層近傍のTEM−EDXのラインスキャンによって得られる元素の分布比率を利用した、本実施例における元素拡散層の厚み測定法の説明図である。本実施形態では、被覆層と正極活物質それぞれの遷移金属の比を、被覆層の厚み方向にTEM−EDXのラインスキャンにより測定し、被覆層を構成する遷移金属と正極活物質遷移金属を構成する遷移金属の両方が検出される範囲を見積もる事で元素拡散層の厚みを測定した。このとき、存在比が小さい方の元素が5%以上(以下)となる点から元素の拡散がある(ない)と見なし、10点の測定値を元に元素拡散層の平均厚みを求めた。     FIG. 3 is an explanatory diagram of a method for measuring the thickness of the element diffusion layer in the present embodiment, using the element distribution ratio obtained by TEM-EDX line scan in the vicinity of the element diffusion layer. In this embodiment, the ratio of the transition metal between the coating layer and the positive electrode active material is measured by TEM-EDX line scan in the thickness direction of the coating layer, and the transition metal and the positive electrode active material transition metal constituting the coating layer are configured. The thickness of the element diffusion layer was measured by estimating the range in which both transition metals were detected. At this time, the element having the smaller abundance ratio was regarded as having element diffusion from the point where it was 5% or more (or less), and the average thickness of the element diffusion layer was determined based on the measured values at 10 points.

表3に元素拡散層の厚み(10点平均値)を示す。元素拡散層の厚みとしては2.5nm〜40.1nmの間で特に放電容量比と容量維持率の改善効果が高い。元素拡散層が無い場合には放電容量比が低下することが分かる。また、熱処理温度が900℃の場合には、放電容量比も容量維持率も低下する傾向にある事が分かる。     Table 3 shows the thickness (10-point average value) of the element diffusion layers. When the thickness of the element diffusion layer is between 2.5 nm and 40.1 nm, the effect of improving the discharge capacity ratio and the capacity retention rate is particularly high. It can be seen that the discharge capacity ratio decreases when there is no element diffusion layer. It can also be seen that when the heat treatment temperature is 900 ° C., the discharge capacity ratio and the capacity retention rate tend to decrease.

Figure 2016009614
Figure 2016009614

10・・・正極
20・・・負極
12・・・正極集電体
14・・・正極活物質層
140・・・正極活物質材料
141・・・正極活物質
142・・・元素拡散層
143・・・被覆層
18・・・セパレータ
22・・・負極集電体
24・・・負極活物質層
30・・・電池要素
50・・・ケース
52・・・金属箔
54・・・高分子膜
60、62・・・リード
100・・・リチウムイオン二次電池。
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Positive electrode 20 ... Negative electrode 12 ... Positive electrode collector 14 ... Positive electrode active material layer 140 ... Positive electrode active material material 141 ... Positive electrode active material 142 ... Element diffusion layer 143. ..Coating layer 18 ... Separator 22 ... Negative electrode current collector 24 ... Negative electrode active material layer 30 ... Battery element 50 ... Case 52 ... Metal foil 54 ... Polymer film 60 62 ... Lead 100 ... Lithium ion secondary battery.

Claims (6)

正極活物質と、
前記正極活物質の表面を被覆する被覆層と、
前記被覆層と前記正極活物質との界面に元素拡散層を有し、
前記被覆層がリチウム含有ポリアニオン化合物からなり、前記ポリアニオン化合物を形成するポリアニオン骨格が遷移金属を中心とした構造でM1+x4+3x −y(M=V、Cr、Nb、Mo、W、 x=0、1、 y=2、3、4)の組成からなることを特徴とする正極活物質材料。
A positive electrode active material;
A coating layer covering the surface of the positive electrode active material;
An element diffusion layer at the interface between the coating layer and the positive electrode active material;
The coating layer is made of a lithium-containing polyanion compound, and the polyanion skeleton forming the polyanion compound has a structure centered on a transition metal, and M 1 + x O 4 + 3x −y (M = V, Cr, Nb, Mo, W, x = 0) 1, y = 2, 3, 4) A positive electrode active material having a composition.
前記ポリアニオン骨格は、
クロム酸イオン(CrO 2−)、重クロム酸イオン(Cr 2−)、オルトバナジン酸イオン(VO 3−)、ピロバナジン酸イオン(V 4−)、ニオブ酸イオン(NbO 3−)、モリブデン酸イオン(MoO 2−)、タングステン酸イオン(WO 2−)のいずれか一つ以上であることを特徴とする請求項1に記載の正極活物質材料。
The polyanion skeleton is
Chromate ion (CrO 4 2− ), dichromate ion (Cr 2 O 7 2− ), orthovanadate ion (VO 4 3− ), pyrovanadate ion (V 2 O 7 4− ), niobate ion ( 2. The positive electrode active material according to claim 1, wherein the positive electrode active material is any one or more of NbO 4 3− ), molybdate ions (MoO 4 2− ), and tungstate ions (WO 4 2− ).
前記正極活物質が、リチウム含有層状酸化物であることを特徴とする請求項1または2に記載の正極活物質材料。   The positive electrode active material according to claim 1, wherein the positive electrode active material is a lithium-containing layered oxide. 前記元素拡散層の厚みが2 〜 40nmであることを特徴とする請求項1から3に記載の正極活物質材料。   The positive electrode active material according to claim 1, wherein the element diffusion layer has a thickness of 2 to 40 nm. 前記リチウム含有層状酸化物が、下記組成式(1)
LiNiCoMnAl ・・・(1)
[上記式(1)中、0≦a≦1.0、0≦b≦1.0、0≦c<0.34、0≦d≦0.05]
で表されることを特徴とする請求項3または4に記載の正極活物質材料。
The lithium-containing layered oxide has the following composition formula (1)
LiNi a Co b Mn c Al d O 2 (1)
[In the above formula (1), 0 ≦ a ≦ 1.0, 0 ≦ b ≦ 1.0, 0 ≦ c <0.34, 0 ≦ d ≦ 0.05]
The positive electrode active material according to claim 3, wherein the positive electrode active material is expressed by:
正極集電体と、正極活物質材料を含む正極活物質材料層と、を有する正極と、
負極集電体と、負極活物質材料を含む負極活物質材料層と、を有する負極と、
前記正極と前記負極との間に位置するセパレータと、
前記負極、前記正極、及び前記セパレータに接触している電解質と、
を備え、前記正極活物質材料が請求項1〜5に記載の正極活物質材料であることを特徴とする、リチウムイオン二次電池。
A positive electrode having a positive electrode current collector and a positive electrode active material layer including a positive electrode active material;
A negative electrode having a negative electrode current collector and a negative electrode active material layer containing a negative electrode active material;
A separator located between the positive electrode and the negative electrode;
An electrolyte in contact with the negative electrode, the positive electrode, and the separator;
A lithium ion secondary battery, wherein the positive electrode active material is the positive electrode active material according to claim 1.
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